《Journal of Cleaner Production》：Integrating diffusion and penetration functions: A novel balanced multi-component rejuvenator for sustainable asphalt recycling
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摘要
传统的沥青再生剂面临着一个瓶颈：界面渗透和深层扩散相互限制。为了解决这一挑战并促进可持续的沥青回收，基于多相功能互补性概念，设计并制备了一种新型的酯桥接复合再生剂（RA-N）。为了量化RA-N与商业再生剂（RA-C）、渗透型再生剂（RA-P）和扩散型再生剂（RA-D）在
摘要
传统的沥青再生剂面临着一个瓶颈：界面渗透和深层扩散相互限制。为了解决这一挑战并促进可持续的沥青回收，基于多相功能互补性概念，设计并制备了一种新型的酯桥接复合再生剂（RA-N）。为了量化RA-N与商业再生剂（RA-C）、渗透型再生剂（RA-P）和扩散型再生剂（RA-D）在长期老化的沥青（LT-A）中的迁移差异，建立了一个多维研究框架。该框架结合了分层粘度测试、荧光显微镜（FM）、傅里叶变换红外（FTIR）光谱、COMSOL Multiphysics仿真以及性能恢复测试。结果表明，RA-N克服了典型的表面滞留和局部聚集缺陷，在LT-A中实现了均匀的渗透和扩散。FTIR证实，再生效果主要由物理混合驱动。通过宏观实验和FTIR表征，提出了一种物理修复机制，该机制利用芳香环解聚、烷基链润滑和酯基团相容性的协同作用来分散密集的聚集网络。仿真显示，在130°C时，RA-N需要25分钟的时间来克服界面阻力并实现深层扩散，这为实际操作提供了定性参考。此外，RA-N成功恢复了LT-A的粘弹性能，使其粘度（72.3 mPa·s）、软化点（44.2°C）和10°C时的延展性（70.2%）恢复到接近原始状态但稍软的状态。本研究确立了平衡界面渗透和深层扩散是高效复合再生剂的核心设计原则，为优化现场热回收技术和推进大规模RAP应用中的清洁生产提供了有针对性的材料支持。
引言
废旧沥青路面（RAP）的回收是实现节能、减排和路面工程可持续发展的一项关键技术。老化沥青的再生质量直接决定了再生沥青路面的长期使用寿命（Behnood, 2019; Zaumanis et al., 2014）。历史上，沥青再生技术从宏观物理软化发展到微观成分修复。在20世纪70年代和80年代的早期研究阶段，再生主要停留在物理软化层面。工程实践通常通过直接添加低粘度油（如废润滑油）来降低老化沥青的粘度（Karlsson and Isacsson, 2006）。然而，这种简单的方法仅提供了物理稀释效果，未能从根本上恢复沥青的粘弹结构，导致再生路面容易发生二次老化和开裂。随着20世纪90年代末流变评估系统（如Superpave规范）的广泛应用，研究重点转向了流变性能的恢复（Shen et al., 2007）。自21世纪初以来，基于成分调整的再生理论已成为学术界的主流共识。大量研究表明，沥青老化的本质是轻组分的挥发和重组分的聚集。因此，目前大多数研究集中在针对性地补充特定轻组分，以重新分散聚集的沥青质，从而在微观层面恢复老化沥青的内部成分平衡和胶体网络结构（Zaumanis et al., 2015; Cao and Liu, 2024; Bhatt and Wu, 2025）。
然而，这种理想的成分调整效果在实际情况中很少被复制。越来越多的研究证实，再生剂的核心功效不在于其在理想混合条件下的成分调节能力，而在于其克服界面阻力并在有限的施工时间内实现均匀渗透和深层扩散的能力（Karlsson and Isacsson, 2003; Bowers et al., 2014; Ma et al., 2020）。因此，再生剂的迁移行为已成为突破沥青再生技术瓶颈的前沿焦点（Sun et al., 2025; Xu et al., 2018）。
现有文献通常将扩散和渗透视为独立的行为。在扩散方面，Ding等人发现再生剂倾向于在老化沥青表面积聚，导致表面再生但内部仍然坚硬（Ding et al., 2016）；Xiao等人证实再生剂的自发扩散速率极慢，使得深层网络修复效率低下（Xiao et al., 2020）。在渗透方面，实证研究一致表明，传统再生剂只能有效渗透老化沥青的顶部0–20毫米，不同配方之间的差异显著（Jiang et al., 2022; Lin et al., 2014）。实际上，高效且均匀的再生是一个连续的整合过程：首先突破界面阻力，然后在内部网络中进行连续的扩散和混合。单独评估这两者无法准确反映实际作用机制，从而难以从根本上解决迁移效率不足的问题（见图1）。
进一步的研究揭示了传统再生剂的界面渗透能力和深层扩散效率之间存在固有的竞争关系，这使得同时平衡两者变得困难。本质上，这源于驱动这两种行为的物理化学机制中的热力学-动力学权衡（Zheng et al., 2023; Cavalli et al., 2019）。一方面，富含芳香烃的高度极性油（如芳香族油）与老化沥青中的沥青质具有很强的热力学相容性，能够有效破坏密集的沥青质表层，表现出优异的宏观渗透能力（Xu and Zhang, 2020）。然而，这些成分通常具有更高的粘度和较大的分子尺寸，进入沥青内部后遇到显著的动力学空间阻碍，进一步分散变得困难，容易导致局部聚集，从而产生高渗透性但扩散性受限的情况。另一方面，低粘度和高流动性的轻质油（如环烷烃油和植物油）在沥青内部具有良好的微观扩散能力。然而，由于缺乏特定的极性功能基团，它们无法有效克服老化沥青表面的能量障碍来软化其硬化结构（Sun et al., 2016; Zheng et al., 2022），因此面临显著的界面渗透阻力，表现出高扩散性但渗透性受限的特点（如图2所示）。
最近，一些研究人员尝试通过简单地将芳香组分与轻质油物理混合来制备复合再生剂。然而，由于不同极性组分之间的热力学不相容性，在高温迁移过程中经常发生相分离。这种无法在整个渗透和扩散过程中保持功能互补性的情况最终会导致再生沥青出现缺陷，例如表面柔软而内部坚硬或局部过度软化的现象（Cao and Liu, 2024; Ding et al., 2016; Garcia Cucalon et al., 2017）。因此，开发一种能够同时平衡渗透和扩散的新型多组分再生剂成为解决均匀沥青再生技术挑战的关键。
为了解决上述问题，包括传统再生剂的渗透-扩散权衡以及简单物理混合剂的相分离问题，本研究基于多相功能互补性概念设计了一种新型的酯桥接平衡再生剂（RA-N）。为了系统地揭示RA-N的迁移规律和再生机制，建立了一个全面的多维评估框架。具体来说，首先设计了宏观分层渗透和扩散测试，以独立分离迁移过程并量化各种再生剂之间的性能差异。此外，利用荧光显微镜（FM）和傅里叶变换红外（FTIR）光谱来可视化空间分布并阐明多组分功能互补性的化学基础。在此基础上，构建了一个流体-质量耦合的数值模型（COMSOL），以重建连续的动态扩散过程，从而预测实现均匀再生所需的临界施工时间阈值。最后，进行了标准的流变和物理测试，以验证RA-N对长期老化粘合剂的整体恢复能力。最终，通过从根本上消除严重老化沥青的“表面柔软、内部坚硬”缺陷，本研究期望阐明复合再生剂的多相协同迁移机制。这些发现为节能的大规模RAP热回收提供了坚实的理论指导和有针对性的材料解决方案。
章节摘录
材料
本研究选择了Xinhai 70#渗透级基础沥青作为基础粘合剂。该粘合剂的基本性质根据中国标准JTG E20-2011（《公路工程用沥青和沥青混合物的标准测试方法》）进行了测试，并在表1中进行了总结。
为了真实模拟从实际路面回收的老化沥青的性质，对70#基础沥青进行了长期老化处理，以再现其在野外使用后的状态
渗透和扩散性能
为了比较评估自主研发的新型再生剂（RA-N）与其他再生剂的渗透和扩散性能，在本节中对切片样品进行了Brookfield旋转粘度测试。粘度值间接反映了再生剂在LT-A中的浓度分布：较低的样品粘度表明该区域再生剂含量较高。通过比较不同样品的粘度变化
结论
针对传统再生剂在老化沥青中难以平衡渗透和扩散性能的技术限制，本研究基于多相功能互补性原理设计并制备了一种酯桥接复合再生剂（RA-N）。本文构建了一个包括宏观性能、微观表征和多物理场仿真的多维评估系统。具体创新点和核心结论如下
CRediT作者贡献声明
Jincheng Wang：撰写——原始草稿、方法论、概念化。Jiyang Hu：数据整理。Jinxi Zhang：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。Hansong Wu：撰写——审稿与编辑、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：52278423）和中国留学基金委项目（资助编号：202506540062）的资助。
Jincheng Wang|Jiyang Hu|Jinxi Zhang|Hansong Wu
